机器人-课题研究-010-基于arm9的嵌入式系统研究及其在视频电子警察系统中的应用

机器人-课题研究-010-基于arm9的嵌入式系统研究及其在视频电子警察系统中的应用内容摘要：

于数字照相机式的。 这种方式拍出的照片具有较高的分辨率（ 120 万像素以上），同时省去了人工更换胶卷的麻烦，但仍存在维护困难、维护费用较高的问题。 3. 视频感应线圈式，由工业摄像机、感应线圈和工 业控制计算机组成，这种在2020 年前后都有很多开发使用。 它是用感应线圈来监测闯红灯车辆，然后由工控机来控制工业摄像机抓拍车辆图片并保存到计算机硬盘里，然后用移动硬盘把图片铐到指挥中心处理。 该系统节省了大量的人力物力，但传输过程要由人工参与难以保证传输的实时性和可靠性。 4. 视频监测式，由工业摄像机和工业控制计算机构成，该技术是在 2020 年后使用较多的。 它不用感应线圈监测车辆，是由计算机对监视区域的实时图像进行分析来判断是否有车辆违章。 它将工业控制摄像机抓拍到的图像数字化后直接存入控制计算机的硬盘，硬盘的数据通过 电话线或网线传回数据中心。 此外，使用超级动态低照度摄像机，夜间仅利用路灯、车牌尾灯等就可以有效地抓拍，不需要安装闪光灯，与其他系统相比，具有抓拍速度快，存储量大，自动化程度高，应用范围广等特点。 现在普遍流行的是基于 嵌入式 的电子警察系统 ，由工业控制摄像机和精简的嵌入式控制系统实现，是在视频监测式 电子警察 系统的基础上由嵌入式控制系统代替规格统一的工控机实现的。 其违章裁定原理与第四种是相同的，该系统具有系统结构精简，耗电量低，性能可靠性高等特点。 现在的电子设备都在向精简小巧的方向发展，嵌入式系统是工业级控制系统 的发展方向。 167。 嵌入式系统概述 嵌入式系统 (Embedded System)是指一个具有特定功能和用途的计算机软硬件集合体。 嵌入式系统以应用为中心，软硬件可裁减，适用于对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用系统，亦即为监控系统量体裁衣的专用系统。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，集软硬件于一体，可以独立工作，主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，嵌入式系统在于结合微处理或微控制器的系统电路与其专属 9 的软件，来达到系统 操作效率成本的最高比。 英国电机工程师协会将嵌入式系统定义为：嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器甚至工厂操作的装置。 嵌入式系统非常受限于功能和具体的应用环境，如对外部事件必须保证在规定时间内进行响应，有体积、重量的限制，功率预算、散热必须符合环境要求，需要令人满意的安全性、可靠性，系统本身的成本需求等，其特点具体来说 : 通常执行特定功能 以微控制器和外围构成核心 严格的时序与稳定性要求 全自动操作循环 20 世纪 80 年代以来，单片机和基于单片机的嵌入式系统的应用已深入到工业、农业、国防、科研、教育以及日常 生活用品（家电、玩具）等各种领域。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了 510 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、 Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、 USB 集线器等均是由嵌入式处理器控制，嵌入式系统应用十分广泛，可以说在现代工作生活中无处不在，下面是应用嵌入式系统的一些主要领域： （ 1）工业方面 电机控制、物理量的检测与处理、工业机器人、过程控制、智能传感器等。 （ 2）仪器仪表方面 智能仪器仪表、医疗器械、色谱仪、示波 器等。 （ 3）民用方面 电子玩具、电子字典、记事薄、高级电子游戏机、录像机、电冰箱、洗衣机、 抽湿机、消毒柜、照相机、空调机、电风扇、防盗控制等。 （ 4）电讯方面 调制解调器、智能线路运行控制、程控电话交换机等。 （ 5）导航控制方面 鱼雷制导控制、智能武器装置、导弹控制、航天导航系统、电子干扰系统等。 （ 6）数据处理方面 图形终端、复印机、硬盘驱动器、磁带机、打印机、打字机等。 （ 7）汽车方面 点火控制、变速控制、防滑刹车、排气控制、节能控制、保安控制、冷气控制、汽车报警控制、测试设备等。 由于嵌入式系统可 以很好的实现智能交通系统的要求，已有越来越多的用户和专 10 业人士看好智能交通领域的嵌入式一体化产品的应用前景，也有了不少厂家进行了这方面产品的研究和开发，目前已经有多种多样的嵌入式结构产品成功使用在智能交通管理系统中，例如航天金卡，测速雷达 (返回数字式速度值 )，用于违章抓拍的数码相机等等。 值得一提的是有不少高科技含量的尖端技术也以嵌入式一体化产品的形式进入了智能交通系统领域，北京汉王科技有限公司的 汉王眼 车牌辨识仪就是其中具有代表性的一款产品，从技术含量上来说，这一产品包含自动抓拍、智能光圈调节、自动温控、光 学字符识别等多项具有相当难度的技术难题，而其采用嵌入式一体化结构设计方式更是在国内车牌识别产品厂家中的第一个吃螃蟹者，建立在汉王公司具有领先水平的光学字符识别核心技术的基础上，该产品具有比较好的性能，已在广东某高速公路收费系统中得到了成功应用。 167。 本课题研究的内容与目标 本课题研究的 视频电子警察 系统在功能上类似于传统的“电子警察”系统， “ 电子 ” 涵盖了这类设备和系统具有现代化的先进技术，包括：视频检测技术、计算机技术、现代控制技术、通讯技术、计算机网络和数据库技术等等； “ 警察 ” 表述了设备和系统具有辅助执 法功能或者是作为执法工具。 但传统的电子警察系统主要依靠一般的工控机或微机做系统平台，通过连接多种先进外设及内部软件的不断更新来实现其功能。 以微机做系统平台有操作简便，软件升级更新简单等多种优点，但它的系统资源大部分闲置，造成了资源的浪费。 随着现在嵌入式系统的发展，以具有独特功能的嵌入式系统产品代替原有的电子警察系统对于整个智能交通系统的发展都有很大的意义。 随着人们对 交通 环境要求的不断提高，智能交通系统（ ITS）必将是新世纪迅猛发展的支柱产业。 特定应用的嵌入式操作系统将是发展智能综合路口控制机、路车交互系 统、新型停车系统、高速公路的信息监控与收费综合管理系统的关键技术，其应用将确保智能交通系统的低成本与高性能，大大提高系统的可靠性和智能化程度。 本课题的主要工作是将嵌入式系统与车辆违章 监控 系统相结合，从而构建一个极具实用价值和广泛适用性的嵌入式 智能交通管理 系统。 其总体目标是针对嵌入式系统的软硬件开发，深入嵌入式操作系统 181。 C/OSⅡ 内核的研究，结合选题内容开发出可实际应用的嵌入式系统。 嵌入式系统涉及软件和硬件两个方面，且两部分紧密相关。 我们的课题研究拟采取硬件和软件并行开发过程，自顶向下的设计方法和思路。 在 硬件设计的过程中，确定需要实现的功能，并确定硬件的构成，完成 硬件平台的搭建。 在软件设计过程中，首先分析系统需要实现的任务，根据任务划分使用模块，在通过高级语言实现高层模块，并通过交叉开发环境实现目标代码。 在 软硬件 集成过程中， 11 需要实现硬件底层代码，完成软件硬件的集成任务。 最后，完成系统的集成测试。 167。 全文的内容与结构 本文是研究基于 ARM9 的嵌入式系统 研究 与 视频电子警察 系统的 设计 ，利用现有的实验平台实现基于嵌入式的 视频电子警察 系统相关软硬件的设计，整个论文的内容和结构层次如下所示： 第一章论述了 电子警察 系统的构成与发展，还有嵌入式系统特点与应用领域，及嵌入式系统在智能交通系统中的应用，最后引出本论文的意义和主要研究内容。 第二章论述了基于 ARM9 的嵌入式 视频电子警察 系统的设计原理及软硬件平台的搭建，硬件部分讲述了核心部件 SBC2410X 开发板内 各主要模块 的 功能。 软件部分介绍了 系统 开发环境的建立和 μ C/OSII 操作系统的移植。 第三章、第四章、第五章分开来讲述系统设计中几个关键模块。 第三章主要讲述嵌入式文件系统的 设计。 主要涉及 SD 卡驱动实现和基于 SD 卡的FAT文件系统的移植。 文件系统主要用于外存储器的 读取和控制。 第四章主要描述了图形界面系统 μ C/GUI 的移植以及触摸屏的实现，主要是LCD/TFT 驱动实现， μ C/GUI 与 μ C/OSII 的整合实现，还有 μ C/GUI 中触摸屏消息驱动机制的实现。 第五章主要是 几个 具体功能模块的设计，主要 包括视频采集任务的实现， 基于虚拟线圈技术的视频违章检测 任务的实现 ， 以及 图片自动存储模块设计等 第六章对所做的研究工作进行了总结，并对进一步的研究提出了展望。 12 第二章 系统 总体设计 及硬件平台介绍 167。 系统总体设计 电子警察 系统一般包含三个子系统：前端违章抓拍系统，控制系统 以及管理控制中心系统，如 2— 1 图所示： 图 电子警察 系统结构 由上图系统结构可知： 电子警察系统在一个路口设置一个控制系统用以控制前端四个路口的摄像机，当路口某方向红灯亮时，则该方向红灯信号传感器通知 嵌入式控制系统，显示该方向红灯信号亮，并将该方向所有摄像机图像切换到嵌入式系统 ； 然后通过视频监测技术判断是否有车辆违章，若有违章现象则 截取并 保存 违章现场的 图像 ；最后 由控制器作简单处理后将图片及相关信息传送到控制中心服务器 ，控制中心服务器是交通管理 数据 库系统 ，主要进行车辆违章 数据的保存，同时提供各种信息查询。 本文所做的工作是基于嵌入式控制系统的研究， 前端及后端系统不是本文论述的重点。 嵌入式 系统的设计都要遵循嵌入式 系统的设计方法，首先要明确系统设计的需求，然后进行系统的整体设计。 167。 系统需求 在系统设计之前我们 要明确我们设计的系统是做什么的，要完成哪些任务。 系统用途决定了嵌入式系统整个行为模式和系统架构。 1．功能性需求 13  红绿灯 信号 检测。 如果是直接从红绿灯信号机上面取信号，则比较容易，可以直接通过串口来获取红灯信号。 如果是从视频图像上面来识别 红绿灯状态，则要应用到图像识别技术，区域分割及边缘检测技术。  视频 数据输入。 要求系统响应时间够快，实现车辆照片的摄入。  图像读取与处理。 需要实现人机交互功能， 实现图象的显示，提供简单的交互按钮实现人机交流。  存储和发送数据。 图象要存储在大容量的外存储器中， 还要与 远端控制中心达成联系。  要 具有快速启动、出错处理和自动复位功能 2． 非功能性需求  功耗低且稳定性高，需 24 小时不间断运行  系统物理尺寸尽量精简，便于维护与升级  系统功能完备，模块化设计，可以与其他有相关功能的系统转化  有效使用低成本设备，寻求成本与功 能之间的最优化 167。 系统总体设计 通常来说，嵌入式系统 设计 可以划分成硬件和软件两部分。 嵌入式系统必须由软件和硬件相结合才能达到资源的最优配置和实现具体的功能。 软件设计必须充分利用系统硬件资源，使系统满足应用的功能要求和技术指标，并具有友好的界面。 嵌入式硬件由嵌入式微处理器、片内周边电路和外设三部分组成。 嵌入式处理器是嵌入式硬件的核心，直接影响嵌入式产品的应用范围和开发复杂度。 嵌入式 软件经过长时间的发展，丰富了 软件直接建立在硬件之上 的模式，逐渐形成自底 向上 由 操作系统，支撑软件和应用软件 三个部分组成 一个完整的体系。 1. 操作系统 嵌入式操作系统由操作系统内核，应用程序接口，设备驱动程序接口等几部分组成，嵌入式操作系统一般都采用微内核结构。 操作系统只负责完成进程调度、进程通讯、中断管理等一些基本任务，而将大部分的服务功能放在支撑软件层中实现。 2. 支撑软件 支撑软件是用于帮助和支持软件开发的 ，通常由 窗口系统，文件系统，网络系统，数据库系统等组成，由于嵌入式系统的硬件配置一般都比较低，在它上面开发应用软件几乎是不可能的，为解决这一问题，很多厂商都陆续推出自己的软件开发环境，如Minigui， μ C/GUI 等窗口系统， usfs 等文件系统。 这种软件开发环境简化并丰富了应用软件 的设计，同时增强了嵌入式系统的功能。 14 3. 应用软件 嵌入式应用软件是整个系统功能的体现，系统的能力总是通过应用软件表现出来，一个系统可以简单的没有支撑软件，甚至没有操作系统，但是不能没有应用软件，否则它就不能成为一个系统， 嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 按照 上述 嵌入式 软硬件划分 的方法， 视频电子警察 系 统可以分为四个层次，各层次的功能模块划分如下表所示： 表 21 系统功能模块划分 层次 功能模块 应用软件层 终端界面、视频监测 、数据存储 以及数据传输 支撑软件层 FAT 文件系统、 GUI 图形界面系统 操作系统层 μ C/OSII 操作系统及 应用程序接口，设备驱动程序接口 硬件层 核心模块，视频采集模块 ，人机交互模块（触摸屏等），存储模块，网络接口模块 及电源模块 167。 硬件 平台介绍 167。 系统核心模块 本系统采用的 核心 嵌入式开发板为 SBC2410X，核心板比较完备的包括一些常用的模块，如 CPU,存储器，网卡，串口， USB 等。 SBC2410X 是由广州友善之臂科技有限公司设计生产的一款基于 ARM9 的嵌入式电脑平台，它基于三星公司的 ARM。